重力式碼頭與板樁碼頭銜接段優(yōu)化方案研究

沈智彬 孫樹青 廣州港股份有限公司

1.引言

大型港口用于停靠大型船舶的海輪泊位常常會配備若干兼顧小型噸級船舶的駁船泊位以及?？客陷?、維修船舶的工作船泊位，而駁船泊位與工作船泊位往往因為?？看皣嵓壿^小，對水深條件及碼頭受力、靠泊條件要求不高，導致其結構形式與大海輪主碼頭的結構形式不同。為了適應多種靠泊船型的需求，碼頭主體結構由單一的重力式、板樁式、高樁式逐漸演變?yōu)槎喾N結構形式并存，不同碼頭結構的銜接是工程是重點也是難點，對不同結構的銜接技術進行研究具有重要的意義，不僅能在工程的設計階段為碼頭的結構設計提供技術支持，還能為工程的施工提供切實可行的施工方案參考。

新建碼頭包含不同的結構、新舊碼頭銜接和舊碼頭結構升級改造等情況下，都可能會涉及到不同碼頭結構的銜接施工工藝。過去在建設施工技術不夠成熟的情況下，工程師們對各種碼頭結構還處于摸索嘗試階段，因而同一個港區(qū)可能會出現不同的碼頭結構。隨著國內工程施工技術力量的不斷提升、工程經驗的不斷積累，已經有了一些成功的實例和關鍵技術。于曉巖研究了復雜地質條件下泊位等級相差較大的兩相鄰結構之間的銜接處理關鍵技術；宋蘭芳對重力式和板樁結構的銜接提出了新穎的U型平接結構設計；劉兵強結合工程實例對重力式碼頭與板樁碼頭銜接段施工穿越拋石層、后方漏砂等問題進行研究。

本文結合工程實例，對不同碼頭結構銜接優(yōu)化和開挖方案的優(yōu)化進行研究，為類似項目工程提供技術支持與方案參考。

2.工程概況

2.1 工程規(guī)模

廣州港新沙港區(qū)11號12號通用泊位及駁船泊位工程2000噸級集裝箱駁船泊位位于挖入式港池北側，其前沿線與現有新沙一期南側護岸前沿線一致，需對現有新沙一期10號泊位南側護岸中的400m及其后50m范圍內堆場進行拆除改造，改造面積2.0萬m。2000噸級集裝箱駁船泊位總長400m，碼頭頂高程為4.4m，標準段按2000噸級集裝箱船設計，港池底高程為-4.8m，口門段154m長的泊位結構按5000噸級集裝箱船設計，港池底高程為-8.3m，工程平面布置圖見圖1。

圖1 工程平面布置圖

2.2 碼頭結構

原有新沙一期工程10號泊位采用重力式扶壁結構方案，港池底高程為-12.5m。

2000噸級集裝箱駁船泊位采用管板組合的單錨板樁結構方案。板樁墻頂高程1.5m，墻身采用φ1200鋼管樁與熱軋鋼板樁組合形式。鋼管樁間距2.52m，壁厚 18mm（預留腐蝕厚度2mm），材質Q390B，底部進入泥質粉砂巖層，熱軋鋼板樁穿透表層軟弱土層。碼頭后方采用現澆錨碇墻結構，其中標準段錨碇墻與碼頭前沿線間距30.1m，鋼板樁和錨碇墻通過低合金鋼高強拉桿（屈服強度不小于550MPa，抗拉強度不小于750MPa）連接，鋼拉桿直徑為φ70mm；口門段錨碇墻與碼頭前沿線間距34.1m，鋼板樁和錨碇墻通過低合金鋼高強拉桿（屈服強度不小于 550MPa，抗拉強度不小于 750MPa）連接，鋼拉桿直徑為φ80mm。鋼拉桿安裝高程為1.2m?，F澆錨碇墻厚0.6m，頂高程3.7m，其中標準段底高程為 0.0m，口門段底高程為-0.5m。

板樁墻頂部現澆 C40 混凝土胸墻結構，高4m，寬3m，胸墻與導梁合二為一。碼頭設有2條QU80門機軌道，軌距10.5m，前軌距離碼頭前沿線2.5m，前軌安裝在胸墻上，φ1200鋼管樁兼做軌道樁基礎；后軌采用樁基軌道梁基礎，樁基為φ600PHC直樁，樁間距2.52m，樁尖進入泥質粉砂巖層。泊位立面圖見圖2。

圖2 2000噸級集裝箱駁船泊位立面圖

2.3 銜接段結構

在2000噸級集裝箱駁船泊位與現有10#泊位銜接處，需拆除10號泊位11件扶壁及上部胸墻。預制并安裝小沉箱，小沉箱與鋼管組合板樁墻銜接處，墻后回填塊石和混合倒濾層，墻前拋填塊石至-8.3m。小沉箱與10#泊位扶壁銜接處，設倒濾井與扶壁結構的倒濾結構銜接。

2.4 設計水位

采用當地理論最低潮面基準，各設計水位見表1。

表1 設計水位取值表

3.銜接段結構設計方案優(yōu)化

2000噸級集裝箱駁船泊位與10號泊位銜接處原設計施工工序為先進行扶壁墻后開挖，接著拆除原有扶壁結構，開挖原有基床塊石，然后水上施打管板組合樁，重新回填拋石基床后，在新基床上安放小沉箱，接著進行墻后回填、胸墻結構等施工。

原有的扶壁結構基床已沉降穩(wěn)定，如果挖除重建，一方面浪費投資，另一方面不利于新安放的小沉箱乃至胸墻結構穩(wěn)定；水上施打管板組合樁需要打裝船或搭設水上施工平臺，一方面設備調遣費用較高，另一方面施工設備受水流影響，施工質量不如陸上施工；基于上述原因，有必要對原方案進行優(yōu)化。

為解決原方案的弊端，提出優(yōu)化方案：原扶壁拋石基床范圍的部分管板組合墻優(yōu)化為陸上施打4根灌注樁，以解決鋼管樁、鋼板樁無法穿透拋石基床的問題；剩余管板組合樁采用陸上施打，以解決打樁船或水上施工平臺的問題；接著再拆除原有扶壁及后方回填結構，并利用原有基床安裝新建小沉箱。優(yōu)化方案施工圖見圖3。

圖3 優(yōu)化方案施工圖

4.不同結構形式碼頭銜接數值計算

4.1 碼頭結構數值模型建立

采用有限元方法，利用巖土工程專用軟件Midas/GTS NX，分別分析沉箱結構與鋼管板樁結構在極端低水位施工階段條件下的結構受力與變形情況。在巖土工程或地下工程領域中，地基土的性質會影響到樁基施工、開挖擾動等因素的影響。由于土層分布復雜多變，同時土體的組成很復雜，影響其性質的因素眾多。土體由固體、液體、以及氣體組成，是一種非線性的復雜材料，當受到荷載的作用下，它的應力應變及變形是較為復雜的，它的受力變形狀態(tài)很難用單一的數學本構模型來反映，模擬其真實狀況也是極其困難的。在進行數值分析時需要做一些相應的簡化，從而能夠實現對該過程的模擬。基于以上分析，對計算模型做如下的假定：

①施工的過程中忽略土體變形的時間效應；

②考慮土體的分層。

4.2 結構靜力受力變形規(guī)律分析

鋼管板樁結構與沉箱結構變形計算結果見圖4、圖5。

圖4 管板樁結構施工期位移

圖5 沉箱結構施工期位移

有限元分析結果表明，沉箱結構與鋼管板樁結構變形趨勢大體一致，變形協(xié)調性較好。本設計方案可有效避免不同結構間銜接處由于變形不一致產生過較大縫隙導致漏砂甚至結構破壞。

鋼管板樁結構、拉桿受力計算結果見圖6、圖7、圖8及表2。

圖6 鋼管板樁彎矩計算結果

圖7 鋼管板樁剪力計算結果

圖8 拉桿拉力計算結果

表2 鋼管板樁結構計算結果

有限元計算結果表明，各結構部件強度均滿足要求。2000噸級集裝箱駁船泊位前方的軟弱土層不需要進行處理，碼頭前沿港池開挖應分層分塊開挖，開挖速度不宜過快，防止施工期碼頭結構出現較大變形，并加強監(jiān)控量測，發(fā)現異常情況及時處理。

5.碼頭銜接段開挖方案優(yōu)化

5.1 開挖方案優(yōu)化的必要性

本工程2000噸級集裝箱駁船泊位利用原有10號泊位后方拋石護岸改造而成，清理完畢后，施工面基本與水面持平，與水域為零距離，現場基本為透水結構。銜接段原設計方案施工工序為基槽開挖、水上打樁、安裝沉箱、后方回填及地基處理、上部結構施工。根據現場錨碇墻、胸墻開挖情況，本區(qū)域受水位變動影響大等因素影響，無法按設計邊坡成型?，F場開挖自然邊坡約1：4，開挖至少需要70米水平距離，但現場只有50米的施工范圍，扣除施工機械位置，可開挖范圍大約40m，無法滿足施工要求。基于上述原因，有必要對原方案進行優(yōu)化。

針對現場情況，擬采用鋼板樁、鋼管樁支護與放坡相結合的優(yōu)化方案，具體為：銜接段施工新建小沉箱與管板組合樁搭接處半徑26m范圍外設置一排管板組合支護樁，在此后方另設置一排拉森鋼板樁進行支護。鋼管樁采用DN800厚10mm的鋼管，樁長18.0m；緊貼鋼管樁內側設置一排拉森鋼板樁，距此排鋼板樁后方6m處再設置一排拉森鋼板樁，樁長12.0m。施工范圍可控制在50m以內，詳見圖9、圖10。

圖9 優(yōu)化方案斷面圖

圖10 現場施工形勢圖

5.2 優(yōu)化實施效果

①降低風險和不確定性，有效控制工期。銜接段區(qū)域受水位變動影響大，原方案難以保證扶壁拆除和沉箱安裝等施工的順利推進，可能影響工期。優(yōu)化方案有效地降低了大開挖的安全風險和不確定性，可確保碼頭早投產、早收益。

②減少施工影響范圍。原方案需額外讓出20米位置作為施工場地，將對利用率日趨飽和的碼頭海運業(yè)務周轉需求造成影響。優(yōu)化方案可將施工范圍控制在50m以內，不影響碼頭生產運行，且降低大范圍開挖給碼頭運營帶來安全風險和不確定性。

③提升經濟效益。經審定，碼頭結構方案優(yōu)化可節(jié)約投資約187.6萬元。開挖方案優(yōu)化研究增加工程費約104.6萬元；另由于原開挖方案施工范圍大，將會直接影響滾裝汽車及集裝箱業(yè)務。僅以滾裝業(yè)務為例，原開挖方案將導致每月少接卸約2艘滾裝船舶，按平均每艘滾裝船接卸800臺汽車，每臺汽車600元利潤計算，每月?lián)p失約96萬元，按照6個月工期計算，預計將損失利潤576萬元。除去開挖方案優(yōu)化增加的工程費104.6萬元，開挖方案優(yōu)化至少可節(jié)約投資471.4萬元。

綜上本研究總體經濟效益為659萬元。

6.結語

（1）新建2000噸級集裝箱駁船泊位采用管板組合的單錨板樁結構方案，施工方便、節(jié)約成本，為板樁碼頭作為薄壁結構在工程建設中的應用提供了一種解決方案。

（2）原有的扶壁結構基床已沉降穩(wěn)定，不需要挖除重建，可拆除原有扶壁及后方回填結構，利用原有基床安裝新建小沉箱，以達到節(jié)約成本減少工時的目的，在新舊碼頭銜接工程上提供了實踐參考。

（3）有限元分析結果表明，沉箱結構與鋼管板樁結構變形趨勢大體一致，變形協(xié)調性較好?？捎行П苊獠煌Y構間銜接處由于變形不一致產生過較大縫隙導致漏砂等問題。

（4）本工程采用的管板組合的單錨板樁結構經數值計算滿足設計要求，碼頭前方的軟弱土層不需要進行處理，節(jié)省了工程成本。碼頭前沿港池開挖應分層分塊開挖，開挖速度不宜過快，防止施工期碼頭結構出現較大變形。

大型港口的碼頭結構形式多樣、功能齊全，在碼頭建設、改造工程中，不同結構形式的銜接技術是重點也是難點。不同結構的銜接工程在節(jié)約工程造價、縮短工期、降低對附近結構物穩(wěn)定性的影響和對港口生產作業(yè)的影響等方面進行優(yōu)化已成為港口工程的重要課題。本文的項目工程已成功應用，實現了預期優(yōu)化效果，為重力式扶壁結構與單錨板樁結構的銜接方案積累了經驗，為類似的碼頭工程設計和施工提供了借鑒依據和方案參考。